Откуда мы знаем об атомах?
Если мы не можем видеть атомы, откуда мы знаем об их существовании? Как я могу убедить вас, что под полом вашего дома есть атомы, с большим успехом, чем я могу доказать вам, что на чердаке у вас скребется мышь? В чем атомная физика отличается от транса верующих, убежденных в том, что они могут обнять Господа? В отличие от религии, наука основана на доказательствах. И в том, что именно атомы становятся строительными кирпичиками нашего мира, нас убеждают многочисленные факты, которые человечество собирало на протяжении последних 2500 лет. В атомы верили даже древние греки. Само слово в переводе с древнегреческого означает «неделимый». Оно было изобретено Демокритом – первым человеком, который населил наш мир этими «невидимыми и неделимыми» элементами. Это было замечательное достижение человеческого разума, особенно с учетом того, что в то время очевидных доказательств существования атома не было.
Сегодня такие доказательства получены четырьмя различными способами: химическим, электрическим, явлением радиоактивности и делением атома. Первый способ простой – химия. Если вы знаете, что два разных газа (например, водород и кислород) соединяются и образуют воду всегда в соотношении 2: 1 (2 атома водорода и 1 атом кислорода), то такое же соотношение можно установить и для других химических веществ и атомов, из которых они состоят. Скажем, если вы смешаете мягкий металл натрий с ядовитым газом хлором, то получите хлорид натрия, то есть пищевую соль, которую вы используете при приготовлении еды. В ней один атом натрия приходится на один атом хлора. Если пронаблюдать за сотнями химических реакций, как это сделал известный английский химик Джон Дальтон в 1803 году, то можно установить, что базовые химические элементы всегда находятся в их соединениях в простых соотношениях: один к одному, два к одному, три к одному и т. д. Если эти элементы расставить в систематическом порядке, то вы получите нечто вроде кухонных шкафчиков, в которых вещества организованы в периодическую таблицу. Это полный список химических элементов, которые мы имеем в своем распоряжении.
Простые химические реакции заставляют нас предположить, что атомы существуют. Но вот вопрос: если вещества вроде воды или соли состоят из атомов, из чего состоят сами атомы? Если следовать логике древних греков, этот вопрос не имеет смысла: ведь атомы и так являются мельчайшими «неделимыми» единицами в природе и не сделаны ни из чего. Такое объяснение вполне удовлетворяло ученых до середины XIX века, когда Андре-Мари Ампер, Алессандро Вольта и Майкл Фарадей начали свои знаменитые опыты по раскрытию тайн электричества. Когда в 1897 году англичанин Джозеф Томсон открыл базовый элемент электрического поля, известный сейчас как электрон, появилось еще одно важное свидетельство в пользу существования атомов. И не только их, но и таинственного субатомного мира внутри них[83]. К счастью, Томсона не обескуражила реакция его кузена, когда в школьные годы последний спросил будущего ученого, чем бы он хотел заняться в будущем. «Проводить научные исследования», – ответил Томсон. «Не будь таким глупцом!» – фыркнул кузен[84]. Что произошло бы, если бы великий ученый оставил свою мечту и стал врачом или бухгалтером? Что произошло бы, если бы электрон не был открыт еще несколько десятилетий? Отложилась бы революция в области высоких технологий и электроники еще лет на пятьдесят? Спорить об этом теперь уже бесполезно – но очень увлекательно.
Деление атомов
Еще более убедительное доказательство существования сложной жизни внутри атома было получено примерно в то же время во Франции. В 1896 году Анри Беккерель открыл явление радиации и установил, что в ходе ее атомы испускают некие элементарные частицы. Это явление было похоже на рентгеновское излучение (тоже недавно открытое), но гораздо более мощное. Явление радиоактивности, как мы теперь его называем, легко понять, если предположить, что гигантские атомы наполнены несравненно более мелкими элементарными частицами. Некоторые атомы существуют в возбужденных, нестабильных формах, которые известны как изотопы. Те стремятся прийти в более спокойное состояние, отторгая нежелательные или ненужные микрочастицы.
Мария Кюри (и ее муж Пьер) развили работы Беккереля. Эти исследования стоили Марии Кюри жизни, но ее жертва стала благородной: со времени ее смерти до настоящего дня открыто множество различных способов лечения с помощью радиоактивного облучения страшных болезней, в том числе рака[85]. Многие годы спустя научные открытия часто кажутся заслуживающими восхищения. Судьба супругов Кюри в 1943 году вдохновила кинодеятелей из Голливуда на создание прекрасного фильма с Гриер Гарсон и Уолтером Пидженом в главных ролях. Однако повседневная научная работа очень далека от романтики. Мы часто вспоминаем рассказы о блестящих озарениях и находках разных ученых, но забываем о рутинной, тяжелой и зачастую скучной работе, которая за этим стоит.
Открытие Марии Кюри потребовало проведения за четыре года 5677 опытов, в ходе которых она нагревала в колбах 8 т растворов урана (в переводе с немецкого – «злосчастного минерала»), чтобы в результате получить всего 1 г радиоактивного радия[86].
Нас пугают рискованные эксперименты Марии Кюри, потому что мы знаем, как закончилась ее жизнь. Она осталась ярким пятном в истории исследования атома и радиоактивности, которая все же заставляет нас с недоверием относиться к ядерной энергии. Грибовидное облако над Хиросимой еще долго будет проходить период полураспада. Катастрофы в Чернобыле и Фукусиме породили глубокие сомнения в ценности ядерной энергии – хотя от естественной радиоактивности люди умирают едва ли не чаще, чем от рака[87]. Однако дух первопроходца, руководивший Марией Кюри, жив и поныне. Журнал Popular Science в 1955 году опубликовал очень занимательную статью о непрофессиональных исследователях урановой проблемы, которые под покровом ночи работали со счетчиком Гейгера, выписанным по каталогу. Мотивировало их обещание некой награды от Комиссии по атомной энергии.
